基于混沌和置换-替代机制的数字图像加密算法

摘要

随着网络技术和多媒体技术的不断发展，多媒体数据，包括图像，声音和视频越来越多的在网络上共享或者以数字形式存储在硬盘上。这些多媒体数据通常会涉及隐私或者跟经济挂钩。所以，数据的安全问题引起社会大众的注意。而加密技术是一种传统且有效的解决问题的方法。近年来基于混沌系统的加密方法已成为研究的热点。本文提出的加密算法也是基于混沌系统而设计。本文的主要工作为第四章和第五章。
　　第四章提出一个基于广义Arnold映射的置换—替代加密算法。我们对图像只进行一轮置换和一轮替代就可以达到很好的加密效果。用广义的Arnold映射来产生加密算法中置换以及替代时需要的混沌序列。在该加密算法中，置换和替代均是整行和整列进行操作，而不是对单个像素进行操作，从而达到提高加密算法效率的目的。在该加密算法，我们选用彩色图像进行加密。在加密之前首先对三维的图像矩阵进行预处理，将三维矩阵转化成二维矩阵，利用广义的Arnold映射产生混沌序列对之进行置换与替代，然后将二维矩阵转化成三维的彩色图像矩阵，实现彩色图像的加密。论文还对该加密算法进行了安全性能的测试分析，比如直方图分析，相邻像素相关性分析，信息熵分析，密钥敏感性分析，差分攻击分析等，以此来检验算法是否能够抵抗外来的非法攻击。结果表明，该加密算法是一种简单而安全有效的加密算法。
　　第五章我们采用置换--替代的加密机制以及位平面分割的办法，构造一种有效的图像加密算法。我们将256个灰度级的灰度明文图像矩阵PI的8个位平面分割成两部分，分别由高4位矩阵P1和第四位矩阵P2组成。并且采用的置换过程是一个新颖的办法，将P1和P2均当成一个16个灰度级的灰度图像。置换过程是在P1与P2之间进行，这样的置换过程完全不同于以往文献的置换过程。我们还是采用广义的 Arnold映射产生该加密算法中置换和替代所需要的混沌序列。加密完成后，我们同样进行安全性能分析，所有结果表明，我们提出的算法是安全高效的。

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第1章 绪论

1.1 本文研究的背景、意义及研究现状

1.2 数字图像加密技术的一些应用

1.3 本文的主要工作和安排

第2章 密码学原理

2.1 密码系统的数学模型

2.2 算法安全性

第3章 混沌系统

3.1 混沌的定义

3.2 混沌的特性

3.3 二维Arnold映射

第4章 基于混沌和置换-替代机制的图像加密算法I

4.1 图像加密算法

4.2 算法分析

4.3结论

第5章 基于混沌系统和置换-替代机制的图像加密算法II

5.1 加密算法

5.2 加密效果分析

5.3. 结论

第6章 本文总结

参考文献

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